URZĄDZENIA I SYSTEMY RADIOELEKTRONICZNE SOBIENIE SZLACHECKIE, 6-7 grudnia 2012 RADAR PASYWNY DZIAŁAJĄCY W OPARCIU O SYGNAŁ NAZIEMNEJ TELEWIZJI CYFROWEJ Marcin Kamil Bączyk, Krzysztof Kulpa, Mateusz Malanowski, Łukasz Maślikowski, Piotr Samczyński, Adam Gorzelańczyk Instytut Systemów Elektronicznych Politechnika Warszawska ul. Nowowiejska 15/19 00-665 Warszawa Streszczenie. W niniejszym artykule opisano zasadę działania radaru pasywnego wykorzystującego jako źródła promieniowania nadajniki naziemnej telewizji cyfrowej. Opisano geometrię bistatyczną dla radaru pasywnego. W artykule przedstawiono także aktualne wyniki prac prowadzonych w Instytucie Systemów Elektronicznych w tematyce radiolokacji pasywnej z wykorzystanie danych rzeczywistych zarejestrowanych podczas ostatnich kampanii pomiarowych. Słowa kluczowe: radiolokacja pasywna, sygnał naziemnej telewizji cyfrowej, DVB-T 1. Wstęp Radar pasywny jest systemem radiolokacyjnym, w którym wykorzystuje się niewspółpracujące nadajniki jako źródła promieniowania oświetlającego obserwowaną scenę. Fakt ten powoduje, iż systemy takie nie wymagają własnych nadajników, przez co są one relatywnie tanie, znacznie mniejsze, mniej podatne na uszkodzenia i trudne do wykrycia. Oprócz radia FM [1-4] najbardziej popularnym źródłem promieniowania wykorzystywanym w radiolokacji pasywnej jest naziemna telewizja cyfrowa DVB-T (ang. Digital Video Broadcasting Terrestrial). Szersze pasmo sygnału zapewnia lepszą rozróżnialność odległościową, niż w przypadku radia FM. Ponadto, ze względu na fakt wykorzystania modulacji cyfrowej, możliwe jest odtworzenie sygnału referencyjnego z zaszumionego sygnału odebranego. Wykrywanie obiektów w radarach pasywnych opiera się na wyznaczaniu funkcji niejednoznaczności wzajemnej sygnałów referencyjnego i pomiarowego [1-4]. Sygnał pomiarowy rejestrowany jest przez antenę zwróconą w kierunku badanej przestrzeni natomiast sygnał referencyjny powinien być idealną kopią sygnału wyemitowanego. Jedną
z możliwości pozyskania sygnału referencyjnego jest jego rejestracja za pomocą anteny kierunkowej zwróconej bezpośrednio w stronę nadajnika. Pomimo takiej konfiguracji sygnał referencyjny jest bardzo często zniekształcony i zaszumiony. Inną możliwością jest odtworzenie sygnału, korzystając z faktu, iż transmisja jest cyfrowa i jej błędy oraz szum mogą zostać usunięte. W niniejszym referacie przedstawiony zostanie sposób w jaki przetwarza się sygnały w radarze pasywnym. Omówiona zostanie funkcja niejednoznaczności wzajemnej dla sygnału naziemnej telewizji cyfrowej oraz zaprezentowane zostaną wyniki przetwarzania i detekcje obiektów ruchomych. 2. Koncepcja radaru pasywnego W radiolokacji klasycznej, tzn. przy wykorzystaniu radaru aktywnego, część nadawcza i odbiorcza znajdują się w tym samym miejscu. Najczęściej obie wykorzystują tę samą antenę, pracującą w trybie przełączania: nadawanie - odbiór. W takim przypadku obowiązuje geometria monostatyczna, w której sygnał odbija się od obiektu i wraca tą samą drogą. W radarze pasywnym odbiornik najczęściej znajduje się w innym miejscu niż niewspółpracujący z nim nadajnik. Sytuacja taka przedstawiona została na rysunku 1. Nadajnik Tx o współrzędnych emituje sygnał, który dociera do odbiornika Rx o współrzędnych, a także do obiektu ruchomego Tr, którego zarówno położenie ( ) ( ) ( ) jak i prędkość ( ) ( ) ( ) zależą od czasu. Chwilowe odległości obiektu od nadajnika i odbiornika wyrażają następujące wzory: ( ) ( ) ( ) ( ), (1) oraz ( ) ( ) ( ) ( ), (2) zaś odległość odbiornika od nadajnika opisuje zależność:. (3) Odległość bistatyczna obiektu jest sumą odległości obiektu od nadajnika i odbiornika pomniejszoną o odległość pomiędzy nimi. Wyraża się wzorem: ( ) ( ) ( ). (4) 2
Chwilowa prędkość bistatyczna definiowana jest jako zmiana odległości bistatycznej ( ) ( ). (5) Rysunek 1 Schemat sytuacji radiolokacyjnej z wykorzystaniem radaru pasywnego. Warto zwrócić uwagę, iż w geometrii bistatycznej stała odległość definiuje elipsę (we współrzędnych XY), lub w bardziej ogólnym przypadku elipsoidę (we współrzędnych XYZ), o ogniskach w punkach gdzie znajdują się nadajnik i odbiornik. Maksymalną prędkość bistatyczną będą posiadały obiekty poruszające się prostopadle do wyznaczonych w ten sposób elipsoid. 3. Etapy przetwarzania w radarze pasywnym W trakcie przetwarzania rejestrowanych sygnałów w radarze pasywnym można wyszczególnić następujące etapy: formowanie wiązek, usuwanie zakłóceń biernych, wyznaczanie funkcji niejednoznaczności wzajemnej, detekcja oraz śledzenie obiektów [2]. 3
3.1. Formowanie wiązki Celem pierwszego etapu przetwarzania w radarze pasywnym jest pozyskanie wiązki sondującej wybrany fragment przestrzeni. W ten sposób filtrujemy sygnały docierające z innych kierunków i możliwe jest określenie kierunku przyjścia sygnału odbitego od obiektu. Wymaganą charakterystykę wiązki można uzyskać stosując anteny kierunkowe i/lub szyki antenowe [5]. W niniejszym artykule przyjęto, że stosowane są dwie anteny kierunkowe wykorzystywane od obioru odpowiednio sygnału referencyjnego i pomiarowego. 3.2. Usuwanie zakłóceń biernych W odebranym sygnale oprócz, interesujących z punktu widzenia radiolokacji, ech obiektów ruchomych, znajdują się także sygnały docierające bezpośrednio z różnych nadajników oraz odbite od obiektów stałych. Są to tak zwane zakłócenia bierne (ang. radar clutter). Ich obecność w sygnale pomiarowym może utrudniać lub wręcz uniemożliwiać wykrycie obiektów ruchomych. Do ich usunięcia w radarach pasywnych wykorzystuje się różne algorytmy filtracji adaptacyjnej. 3.3. Wyznaczanie funkcji niejednoznaczności wzajemnej Do wyznaczania odległości i prędkości bistatycznej obiektów w przestrzeni w radarach pasywnych najczęściej wykorzystuje się funkcję niejednoznaczności wzajemnej sygnału referencyjnego i sygnału pomiarowego. Funkcja ta w radiolokacji definiowana jest w następujący sposób [6]: ( ) ( ) ( ). Funkcja ta dla przyjmuje postać funkcji korelacji wzajemnej. Dodatkowy składnik postaci odpowiada za moduluję jednej ze składowych, przez co możliwe jest poszukiwanie w sygnale podobieństw przesuniętych w dziedzinie częstotliwości, świadczących o ruchu obiektu. 3.4. Detekcja obiektów Następnym etapem jest detekcja obiektów. Na podstawie wyznaczonej funkcji niejednoznaczności wzajemnej określa się pozycje hipotetycznych wykryć. Można 4
wykorzystać do tego algorytmy przeszukujące o stałym prawdopodobieństwie fałszywego alarmu (ang. Constant False Alarm Rate CFAR) [1-2]. 3.5. Śledzenie obiektów we współrzędnych R-V Wykrycia z kolejnych chwil czasowych (obserwacji) są ze sobą wiązane z wykorzystaniem układu śledzenia. Ze względu na możliwość wystąpienia fałszywych wykryć, wymaga się określonej ilości potwierdzeń dla danego obiektu. Na tej podstawie inicjalizuje się trasy, które odpowiadają trajektorii obiektów we współrzędnych bistatycznych tj. odległości i prędkości bistatycznej [2]. 3.6. Śledzenie obiektów we współrzędnych X-Y-Z Na podstawie pomiarów tras wielu trójek nadajnik obiekt odbiornik we współrzędnych bistatycznych możliwe jest wyznaczenie trasy we współrzędnych kartezjańskich (geograficznych) [7-9]. 4. Sygnał DVB-T i jego funkcja autokorelacji wzajemnej W radiolokacji pasywnej do oświetlania obiektów w przestrzeni wykorzystuje się rozmaite źródła promieniowania. O ich przydatności decydują przede wszystkim moc wypromieniowywanej fali elektromagnetycznej, szerokość pasma, częstotliwość nośna. Nie bez znaczenia jest charakter emitowanego sygnału [10, 11]. Moc wypromieniowywana przez nadajnik wpływa na zasięg radaru. Szerokość pasma jest istotna z punktu widzenia rozróżnialności odległościowej, zaś od częstotliwości nośnej zależy tłumienie fali w atmosferze. Charakter sygnału jest ważny przy wyznaczaniu funkcji autokorelacji wzajemnej. Wszelkiego rodzaju stałe, okresowo powtarzające się fragmenty sygnału mogą wprowadzać niejednoznaczności w określaniu odległości i prędkości obiektów, jak również powodować pojawienie się fałszywych alarmów. W szczególności mogą występować stałe miejscowe maksima, utrudniające lokalizację rzeczywistych obiektów. Szumowy charakter sygnału zapewnia wąskie maksimum wyznaczanej funkcji niejednoznaczności wzajemnej oraz niski poziom listków bocznych. Na rysunku 2 przedstawiona została funkcja niejednoznaczności wzajemnej dla przykładowego rzeczywistego sygnału DVB-T. Pomimo stosunkowo krótkiego czasu integracji (300 ms), ze względu na szerokie pasmo (7.6 MHz), wartość maksimum głównego prążka jest wyższa niż w przypadku sygnału radia FM, gdzie stosunek maksimum do listków 5
Rysunek 2 Moduł funkcji niejednoznaczności wzajemnej w skali decybelowej dla rzeczywistego sygnału DVB-T ( T = 0.3s, B = 7.6 MHz, fc = 690 MHz). bocznych wynosi średnio 45-50 db. Na rysunku 2 można zauważyć kilka interesujących cech sygnału naziemnej telewizji cyfrowej w kontekście radiolokacji pasywnej. Pierwszą rzeczą na którą warto zwrócić uwagę jest obecność drugiego silnego maksimum znajdującego się blisko pierwszego na zerowym przesunięciu dopplerowskim. Jest to przeciek sygnału z innego nadajnika emitującego ten sam sygnał (efekt związany z pracą kilku nadajników w sieci jednoczęstotliwościowej). Pomimo tego, iż antena referencyjna zwrócona była w kierunku bliższego nadajnika, przeciek ma niepomijalną energię, która wpływa znacząco na funkcję niejednoznaczności wzajemnej. W tym przypadku antena zwrócona była na słabszy nadajnik umieszczony na Pałacu Nauki i Kultury w Warszawie, z którego moc docierająca do odbiornika była ok 10 db większa od mocy odbieranej z drugiego nadajnika znajdującego się w Łazach pod Warszawą. Uzyskane wyniki pokazują, że pracujące w trybie SFN (ang. Single Frequency Network) nadajniki naziemnej telewizji cyfrowej mogą znacznie komplikować procedury przetwarzania sygnałów w radarach pasywnych. 6
Kolejne lokalne maksima widoczne na rysunku 2 odpowiadające zerowej częstotliwości Dopplera, są wynikiem zastosowania w standardzie transmisji naziemnej telewizji cyfrowej modulacji OFDM (ang. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), w której wykorzystywane są prefiksy cykliczne do lokalizacji poszczególnych symboli. Zazwyczaj informacje o obiektach nieporuszających się nie są interesujące z punktu widzenia obsługującego radar. O ile maksima lokalne odpowiadające zerowej prędkości bistatycznej można usunąć wykorzystując do tego odpowiednio długie zaprojektowane filtry adaptacyjne, o tyle te znajdujące się na niezerowych częstotliwościach Dopplera usunąć jest znacznie trudniej. Pochodzą one od umieszczonych w symbolach OFDM sygnałów pilotów. Ich usunięcie wymaga odpowiedniej modyfikacji sygnału referencyjnego używanego do wyznaczenia funkcji niejednoznaczności wzajemnej [12], a co za tym idzie do odejścia od koncepcji filtracji dopasowanej do emitowanego sygnału. 5. Wyniki eksperymentalne W ramach prac prowadzonych w Instytucie Systemów Elektronicznych Politechniki Warszawskiej dokonano wielu pomyślnych eksperymentów polegających na rejestracji sygnałów i detekcji oraz śledzeniu obiektów. Pomiary wykonywano w różnych lokalizacjach i śledzono cele takiej jak samoloty oraz samochody. W pierwszym eksperymencie Rysunek 3 Funkcje niejednoznaczności wzajemnej w trzech kolejnych chwilach wraz z zaznaczonymi obiektami. obserwowano poruszające się samochody wzdłuż drogi wylotowej z miasta. Odbiornik 7
znajdował się w odległości 25 km od nadajnika. niejednoznaczności wyznaczonej w odstępach dziesięcio-sekundowych. Na rysunku 3 przedstawiono funkcję 8
Rysunek 4 Funkcje niejednoznaczności wzajemnej w kolejnych chwilach z zaznaczonym obiektem i trasą bistatyczną. 9
Zaznaczono na nim cztery obiekty, które zmieniają swoje prędkości i odległości bistatyczne. Wraz z przyjętą konwencją obiekty oddalające się mają ujemną prędkość bistatyczną. W drugim opisywanym eksperymencie obserwowano przestrzeń powietrzną. Rejestracji dokonano w otwartym terenie. Odległość od nadajnika wynosiła ok 60 km. Na rysunku 5 przedstawiono kolejne wyniki w odstępach dwudziestosekundowych. Dodatkowo zaznaczono trasę bistatyczną obserwowanego celu. 6. Podsumowanie W niniejszym artykule przedstawiono koncepcję radaru pasywnego wykorzystującego nadajniki telewizji cyfrowej DVB-T. Dzięki swoim właściwościom, takim jak szerokie pasmo sygnału i duża moc nadajników, nadajniki telewizji cyfrowej są atrakcyjnym źródłem w radiolokacji pasywnej. Przedstawione w artykule wyniki pokazują, że radar pasywny zbudowany w oparciu o nadajniki DVB-T może być z powodzeniem wykorzystany do detekcji obiektów powietrznych i naziemnych na odległościach rzędu kilkudziesięciu kilometrów. Szerokie pasmo sygnału zapewnia dużą rozdzielczość odległościową, porównywalną z rozdzielczościami większości radarów aktywnych kontroli ruchu powietrznego. LITERATURA [1] HOWLAND P. E., MAKSIMIUK, D., REITSMA G., FM Radio Based Bistatic Radar, IEE Proc. of Radar, Sonar and Navigation, Vol. 152, pp. 107 115, June 2005. [2] MALANOWSKI M., KULPA K., MISIUREWICZ J., Koncepcja radaru PCL bazującego na sygnałach radia FM, Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej, Warszawa 2007, nr. 2, vol. LVI, pp. 283-289. [3] MALANOWSKI M., KULPA K., MISIUREWICZ J., PaRaDe Passive Radar Demonstrator family development at Warsaw University of Technology, Proc. Microwaves, Radar and Remote Sensing, Kiev, Ukraine, p. CD, 22 24 September 2008. [4] MALANOWSKI M., KULPA K., MISIUREWICZ J., SZUMSKI K., Pasywna lokalizacja obiektów z wykorzystaniem nadajników FM, Przegląd Telekomunikacyjny wiadomości telekomunikacyjne, 2009. z. 6. ss. 432-435. [5] MALANOWSKI M., KULPA K., MISIUREWICZ J., Techniki formowania wiązek w radiolokacji pasywnej, Przegląd Telekomunikacyjny wiadomości telekomunikacyjne, 2009. z. 6. ss. 360-363. [6] MALANOWSKI M., Comparison of adaptive methods for clutter removal in PCL radar, Proc. International Radar Symposium 2006, 24-26 May 2006, Cracow, Poland, pp. 237-10
240. [7] MALANOWSKI M., Śledzenie obiektów w radarze pasywnym, Elektronika konstrukcje, technologie, zastosowania, sierpień 2009, pp. 44-47. [8] M. MALANOWSKI, K. Kulpa, R. Suchożebrski, Two-stage Tracking Algorithm for Passive Radar, Proc.12th International Conference of Information Fusion 2009, Seattle, USA, 6 9 July 2009, pp. 1800 1806. [9] MALANOWSKI M., Target Tracking Using FM-based Passive Radar, Proc. Signal Processing Symposium 2011, 8-10 June 2011, Jachranka, Poland, pp. 1-6 [10] MALANOWSKI M., KULPA K., MISIUREWICZ J., SAMCZYŃSKI P., Analiza sygnałów telekomunikacyjnych pod kątem zastosowania w radiolokacji pasywnej, UiSR, 23-25 września 2009, Soczewka, Polska, pp. CD. [11] BAKER C., GRIFFITHS H., PAPOUTSIS I., Passive Coherent Location radar systems. Part 2:Waveform properties, IEE Proc. Radar, Sonar and Navigation, vol. 152, no. 3, pp. 160 168, June 2005. [12] SAINI R., CHERNIAKOV M., DTV signal ambiguity function analysis for radar application, IEE Proc. Radar, Sonar and Navigation, vol. 152, no. 3, pp. 133 142, June 2005. [13] http://www.radiopolska.pl/ 11